KR19990080779A - 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계청색 발광다이오드제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결정특성이 우수한 다층 구조의 질화갈륨계 화합물 반도체 박막층을 기판과의 결정격자 부정합이 존재하지 않는 상태로 성장시켜 고품질의 결정성과 전기적 및 광학적 특성을 지닌 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘기판 위에 열화학반응을 통해 갈륨 나이트라이드 벌크층을 형성시켜 이루어진 질화갈륨 반도체기판 상에 수소화합물 기상성장법을 통해 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형이 없는 다층의 질화갈륨계 박막을 적층형성하고, 상기 질화갈륨 반도체기판 하부와 상기 다층의 질화갈륨계 박막층 상단에 n형 및 p형의 금속전극을 각각 형성하는 과정으로 이루어지며, 종래와 달리 건식식각을 위한 실리콘 산화막이나 실리콘 나이트라이드막을 쉐도우마스크의 증착과 마스크의 식각공정, 전극형성시의 마스크의 복잡한 조합 등을 크게 줄일 수 있을 뿐아니라, 기존의 양산기술에 그대로 적용할 수 있는 잇점이 있으며, 전극을 상하 양면에 형성함으로써 작업공정이 단순화되어 효율적인 양산제조는 물론, 소자의 발광면적이 축소되지 않아 상대적으로 고품질의 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드 제조방법

본 발명은 질화갈륨의 반도체기판 위에 질화갈륨계 화합물 반도체의 결정을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 특히 결정특성이 우수한 다층 구조의 질화갈륨계 화합물 반도체 박막층을 기판과의 결정격자 부정합이 존재하지 않는 상태로 성장시켜 고품질의 결정성과 전기적, 광학적 특성을 지닌 질화갈륨계 청색 발광다이오드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근, 질화갈륨계 화합물 반도체는 반도체 결정으로서 이를테면 Ga_1-XAl_XN, Ga_1-XIn_XN인 화합물로 X가 0≤X≤1의 범위에 있는 반도체 결정을 이용하여 청색 발광다이오드를 제작하는데, 격자상수가 매우 다른 이종접합의 사파이어(Al₂O₃)나 MgAl₂O₄, Si, SiC, 및 GaAs 등을 이용하고 있으며, 특히 1000℃ 이상의 고온에서 열적인 특성이 양호한 사파이어를 기판으로 이용하고 있다. 이러한 질화갈륨계 화합물 반도체의 결정을 성장시키는 방법으로는 유기금속 화합물 기상증착법(이하, "MOCVD법"이라 함)이 널리 알려져 있다. 이 방법은 반응가스로서 트리메틸 갈륨[Ga(CH₃)₃], 트리메틸 알루미늄[Al(CH₃)₃], 트리메틸 인듐[In(CH₃)₃] 등의 유기금속가스를 하이드라이드계 암모니아 가스와 1000∼1100℃ 정도의 고온에서 표면 화학반응을 일으켜 사파이어 기판위에 질화갈륨계의 화합물 반도체 박막을 성장시키는 것이다.

그러나, 이종기판에 성장시키려는 질화갈륨 박막층과 사파이어 기판과는 기하학적인 격자부정합으로 인해 반도체 박막에 결정성장방향으로 많은 도인형 전위(egde-type threading dislocation)를 유발하여 박막표면에 6각형의 피라미드 상이나 6각형의 판상구조를 보이게 되며, 이러한 결정결함으로 인해 전기적, 광학적인 특성을 저하시키고, 특히 사파이어 기판의 경우 절연특성으로 인해 전기적 부하를 인가하는 경우 정전기 현상을 일으킴으로써 소자의 신뢰성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다.

이러한 사파이어 기판의 절연성을 극복하기 위해서는 예컨대, SiC 반도체 기판을 이용하여 청색 발광다이오드의 뒷면과 앞면의 양쪽면에 전극을 형성하는 방법이 제안되고 있다. 이 방법에 따르면 정전기 현상을 해결할 수는 있지만 여전히 이종접합의 결정성장으로 격자간의 거리가 크게 달라서 결함없는 소자를 만들기에는 한계가 있다.

최근에 사파이어 기판위에 청색 발광다이오드 등을 실현하는 방법으로서 다층의 질화갈륨계 화합물을 적층하여 발광효율을 향상시키고 있으며, n형 불순물로는 SiH₄가스를 이용하고, p형 불순물로는 사이크로 디펜틸 마그네슘(Cp₂Mg)을 이용한다. 또, p형 불순물을 활성화시키기 위해 전자선을 조사하거나, 800℃ 정도의 고온열처리 방법을 이용하고 있다. 왜냐하면, n형 GaN 박막층내에서 수소가 반응하여 결합되어질 수 있는 활성화 에너지가 3.4eV로 매우 높지만 P형 GaN내에서 수소가 Mg와 반응할수 있는 활성화 에너지가 0.7eV로 매우낮기 때문이다.

이러한 방법으로 고휘도의 청색 발광다이오드를 만드는데 까지는 이르렀으나 결정성의 한계로 인해 신뢰성 면에서 많은 문제점이 해결되어야 한다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 질화갈륨 반도체 기판을 이용하여 기판에서 야기되는 어떠한 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형없이 박막을 수소화합물 기상 성장방법(HVPE)을 이용하여 적층함으로써 고품질의 결정성과 전기적, 광학적 특성을 지닌 질화갈륨계 반도체를 성장하여 고효율의 청색 발광다이오드를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 수소화합물 기상성장장치(HVPE)의 일부분을 개략 적으로 도시하고 있는 도면

도 2는 도 1의 수소화합물 기상성장장치로 성장시킨 질화갈륨 반도체기판의 표면을 확대한 현미경 사진

도 3은 X-선 회절에 의한 질화갈륨 반도체기판의 결정성장방향의 막두께와 X-선 세기와 회절각도의 상관관계를 나타낸 파형도

도 4는 본 발명에 사용되는 유기금속 기상성장 장치(MOCVD) 반응로의 일부분의 단면을 개략적으로 나타낸 도면

5는 종래의 결정성장법에 의해 형성된 질화갈륨계 박막구조의 단면을 나타낸도면

도 6은 본 발명의 결정성장법에 따라 형성된 질화갈륨계 박막구조의 단면을 보여주고 있는 도면

도 7은 도 4에 표시된 A-A'선에 따른 단면도

도 8은 도 4에 표시된 B-B'선에 따른 단면도

도 9는 더블크리스탈 X-선 록킹커브(locking curve)에서의 인듐(In)의 몰 비를 나타내고 있는 더블크리스탈 X-선 회절세기와 X-선 록킹각도의 상관관계를 나타낸 파형도

도 10은 SiH₄의 함량에 따른 실리콘(Si)과 아연(Zn)이 이중도핑된 In_0.1ga_0.9N층의 홀(HALL)효과를 나타내는 상관도

도 11은 실리콘과 아연이 이중도핑된 In_0.1Ga_0.9N층의 도핑량에 따른 발광세기의 변화를 보여주고 있는 파형도

도 12는 레이저로 광여기된 성장된 구조로 부터의 발광사진도

도 13은 온도변화에 따른 p형 GaN면의 오믹(ohmic)접촉특성을 나타내고 있는 특성도

도 14는 더블헤테로구조의 청색 발광다이오드의 전류-전압특성을 나타내고 있는 특성곡선도

도 15는 6V, 20mA의 바이어스 상태에서 0.5칸델라의 휘도를 나타내는 발광특성 사진도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 석영보트(Ga원료) 12,13 : 가스흡입구

14 : 실리콘기판 15 : 석영관

16 : 가스배출구 17 : 전기로

18 : 유량계 41 : 가스흡입구

42 : 암모니아가스 유입구 43 : 미세원형 구멍판

44 : 내부석영관 45 : 외부석영관

48 : 질화갈륨 반도체기판 49 : 고주파유도 가열장치

40 : 흑연열판 50 : 사파이어기판

51,68 : n형 전극 52,61 : p형 전극

53,54,55,56,57,62,63,64,65,66 : 질화갈륨계 박막층

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에서 사용한 HVPE장치의 개략적인 부분단면도이다. 반응기 앞단의 Ga원료 석영보트(11)에 수소가스와 염산(HCl)가스가 가스유입구(12)를 통해 유입되어 반응하고, 다시 가스유입구(13)를 통해 암모니아 가스가 유입되어 AlN층이 증착된 실리콘기판(14) 위에 도달하면서 열화학반응하여 GaN 벌크(bulk)층을 형성시킨 다음, 잔류가스를 석영관(15)의 배출구(16)를 통해 배출시킨다. 반응로를 전기로(17)로 하여 실리콘 도핑된 갈륨(Ga) 인고트(ingot) 원료는 850℃로 가열하고, 실리콘기판 부위는 1030℃ 정도로 가열하여 염화갈륨(GaCl) 가스와 암모니아가스를 반응시킨다. 도면에서 18은 유량계를 표시한다.

실리콘기판 위의 알루미늄 나이트라이드(AlN)층은 고주파(RF) 스퍼터링 방법으로 증착시킨다. HVPE 장치의 반응기 안에서 염산가스와 갈륨덩어리를 다음의 [반응식 1]에서 처럼 반응시킨 후, 다시 암모니아 가스와 [반응식 2]와 같이 재반응시켜 질화갈륨층을 550㎛ 두께까지 성장시키게 된다.

GaCl(g)+NH₃(g)→GaN(s)+HCl(g)+H₂(g)

실리콘 위의 질화갈륨을 분리시키기 위해 실리콘을 불산(HF)과 물(H₂O)의 혼합비율이 1 : 10 정도인 에칭용액에 담가서 실리콘을 식각시킨 후, 기판을 요철이 10Å이하가 되도록 연마하여 광택을 낸다. HVPE 결정성장 상태에서의 표면은 요철이 심하여 기계적인 연마 후, 다이아몬드 분말 10, 5, 1, 1/10㎛ 입도로 광택을 내고 최종적으로 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄) 용액에서 표면의 습식식각을 수행한다.

도 2는 HVPE 결정성장법으로 성장시킨 질화갈륨 반도체기판의 1㎛ 광택후의 현미경 사진이다. 질화갈륨 반도체기판의 두께에 따른 결정구조의 방향을 도 3을 참조하여 보면, 박막층이 두꺼워짐에 따라 결정방향이 Wurtzite GaN(0002)으로 정렬됨을 알 수 있다. 상기 도 3에 나타낸 파형도 a)는 박막층의 두께가 10㎛, b)는 32㎛, c)는 65㎛, d)는 130㎛, e)는 260㎛일 경우의 X-선 세기와 X-선 회절각도 간의 상관관계를 나타낸 것이다.

그 다음, 준비된 질화갈륨 반도체기판을 세척한 후, MOCVD 반응기에서 박막층을 적층한다.

MOCVD 반응기는 도 4에서 보는 바와 같이, 질화갈륨계 박막층을 형성하기 위한 질화갈륨 반도체기판(48)과, 상기 질화갈륨 반도체기판(48)을 고주파유도 가열장치(49)로 가열시키기 위한 흑연열판(40)과, 유기금속원 가스와 수소가스를 흡입시키기 위한 가스흡입구(41)와, 암모니아가스 유입구(42)가 있으며, 상기 가스흡입구(41)를 통해 흡입되는 유기금속원 가스와 수소가스의 국소적인 압력을 저하시켜 속도를 증가시킴으로써 가스흡입구(42)를 통해 유입된 암모니아가스와 충분히 혼합되도록 한다. 이러한 난류유동상태를 형성하기 위해 레이저를 이용하여 뚫은 다수의 핀홀(pinhole)을 형성하고 미세원형 구멍판(43)으로 이루어진 내부석영관(44)과 외부석영관(45)으로 구성되어 진다.

도 5에 도시된 종래의 사파이어기판을 이용한 질화갈륨계 박막적층 구조는 사파이어 기판(50)의 절연특성으로 인해 n형 전극(51)을 형성하기 위해 p-GaN층(53), p-Al_0.15Ga_0.85N층(54), In_0.05Ga_0.94N층(55), n-Al_0.15Ga_0.85N층(56), 및 n-GaN층(57)으로 된 질화갈륨 박막층의 일부를 건식식각해야만 한다. 상기 도면에서 부호 52는 p형 전극을 표시하는 것이다. 사파이어 기판 사용으로 인해 질화갈륨계 박막 결정성장 후, 건식식각을 위해 실리콘 산화막(SiO₂)이나 실리콘 나이트라이드막(Si₃N₄)의 절연층을 쉐도우 마스크(shadow mask)로 도입해야 하고 건식식각 후 n,p면 금속전극을 단차를 갖고 동일면에 형성하기 위해 양산제조공정에 많은 복잡한 영향을 준다. 이러한 복잡한 양산공정을 단순화하여 기존의 양산공정을 적용할 수 있는 방안으로 질화갈륨 반도체기판을 사용하였다. 질화갈륨 반도체기판에서 질화갈륨계 박막 적층 성장조건을 최적화하여 양질의 청색 발광다이오드를 제조한다.

도 6은 본 발명에 따른 HVPE 방법으로 결정을 성장시킨 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 박막을 MOCVD법으로 성장시킨 일예의 AlGaN/InGaN 청색 발광다이오드 더블 헤테로구조(double hetero structure : DH)의 상태를 개략적으로 도시한 도면으로, 이 도면을 참조하여 보면, p형 전극(61), 대략 0.5㎛ 정도의 두께를 갖는 p-GaN층(62), 대략 0.15㎛ 정도 두께의 Al_0.15Ga_0.85N층(63), 대략 700Å 정도 두께의 In_0.1Ga_0.9N층(64), 대략 0.15㎛ 정도 두께의 Al_0.15Ga_0.85N층(65), 대략 0.25㎛ 정도 두께의 n-GaN층(66), n-GaN 기판(67), 및 n형 전극(68)로 구성된다

도 7은 도 6에 표시된 A-A'선에 따라 절단하여 부분적으로 확대하여 도시한 n형 금속전극 부위의 단면도로서, n-GaN 기판(77) 위에 게르마늄이 첨가된 800Å 두께의 금 박막층(71), 500Å 두께의 니켈층(72) 및 4000Å 두께의 금 박막층(73)을 순차로 적층형성시켜서 금속전극을 이루고 있다. 또, 도 8은 도 6에 표시된 B-B'선에 따라 절단하여 부분적으로 확대도시한 p형 금속전극 부위의 단면도이다. p-GaN 층(82) 위에 200Å 두께의 금 박막층(71), 700Å 두께로 베릴륨이 첨가되어 이루어진 금 박막층(72) 및 1.2㎛ 두께의 순수 금 박막층(73)이 순차로 적층형성되어 p형 금속전극을 이룬다.

본 발명의 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 화합물 반도체의 박막 적층을 상기 도면들을 참조하여 살펴보면, 먼저 질화갈륨 반도체기판을 화학적으로 세척한 후, MOCVD 반응기 속에 넣어 수소가스 분위기에서 1000℃∼1200℃(바람직하게는 1100℃ 정도)의 온도로 5∼15분(바람직하게는 10분) 정도 가열하여 이물질을 충분히 탈착시킨 다음, 온도를 내리면서 암모니아가스 분위기를 형성하여 기판을 질화처리하고, 여기에 수소분위기의 트리메틸갈륨을 첨가하고 열화학반응시켜 질화갈륨 반도체기판 위에 표면반응시킨다.

도 6에서와 같은 박막적층구조를 형성하기 위해 질화갈륨 반도체기판 위에 완충층을 500℃∼600℃(바람직하게는 520℃ 부근)에서 200∼800Å(바람직하게는 500Å 정도)의 두께로 형성한 다음, 암모니아가스 분위기에서 온도를 상승시켜 1000℃∼1100℃(바람직하게는 1050℃ 부근)에서 n형 GaN층(66)을 형성하고, 800℃∼900℃(바람직하게는 850℃ 부근)에서 n형 Al_XGa_1-XN층(65)을 적층형성하고, 750℃∼850℃(바람직하게는 800℃ 부근)에서 상기 n형의 Al_XGa_1-XN층 위에 600∼800Å의 두께로 형성하고, 상기 In_XGa_1-XN층(64)에 실리콘(Si)과 아연(Zn) 원자 두 종류를 동시에 도핑(doping)하는 활성층을 형성하거나 또는 양자구조를 도입하여 초격자(superlattice)를 이용하여 발광다이오드구조의 활성층을 형성할 수 있다. 그리고, 다시 그 위에 n형과 동일한 온도에서 p형 Al_XGa_1-XN층(63)과 GaN층(62)을 적층 형성한다.

n형 GaN층(66)은 SiH₄가스를 이용하여 Si원자를 Ga자리에 치환시킴으로써 가능하다. 일반적으로 실리콘 원자가 갈륨원자와 크기가 비슷하여 비교적 작은 활성화에너지로 도핑이 용이하다. SiH₄의 유량이 증가함에 따라 도핑정도도 비례하여 증가한다. 성장시킨 n형 GaN층의 운반자농도와 전자이동도가 각각 10¹⁸㎝^-3과 250㎝²/V·sec이며, 두께는 대략 2.5㎛이었다.

전자와 홀을 활성층 내에서 발광성 재결합할 수 있도록 모아주는 장벽층으로 비교적 에너지 밴드갭이 넓은 Al_XGa_1-XN층을 활성층 양쪽에 덮씌운 클래딩(cladding)을 만든다. Al_XGa_1-XN층을 형성하기 위해 트리메틸 알루미늄(TMAl)을 TMGa과 함께 1100℃, 300Torr에서 반응시킨다. 유량조건은 TMGa = 15sccm, TMAl = 9sccm, NH₃= 2000sccm, H₂= 4000sccm 이다. 알루미늄(Al) 원자가 갈륨(Ga)원자에 비해 상대적으로 작아 박막의 모폴로지(mophology)에 큰 영향을 준다. 알루미늄 성분이 증가됨에 따라 6각형으로 갈라져 크랙(crack)이 형성된다. 이러한 표면 모폴로지 현상을 피하여 원하는 장벽역할도 수행할 수 있는 알루미늄 몰(mole)비는 0.15 정도이다. 또한, n형 Al_XGa_1-XN층을 만들기 위해 SiH₄를 첨가시켜 도핑한다. 성장한 시료의 전자의 운반자농도와 이동도는 각각 약 10¹⁸㎝^-3과 110㎝²/V·sec이며, 두께는 대략 0.15㎛이었다.

DH구조의 발광 재결합구조의 활성층으로 In_XGa_1-XN층을 성장시킨다. 인듐(In)원자는 갈륨(Ga)원자에 비해 큰 원자이기 때문에 화학적인 결합에너지가 작고 해리분압이 비교적 높아 성장온도가 800∼850℃ 정도로 낮다. 따라서 상대적으로 낮은 온도에서 암모니아 수소 탈착효율이 낮아지므로 Ⅴ/Ⅲ비율을 높이고, 인듐의 화학반응시 해리를 줄이기 위해 질소가스를 반송가스(carrier gas)로 이용하였다.

즉, In_XGa_1-XN층을 성장시키기 위해 적은 TMGa 유량과 높은 트리메틸인듐(TMIn)량, 그리고 암모니아가스 유량이 비교적 높은 성장조건에서 수행하였다. 인듐의 몰(mole) 비를 증가시킴에 따라 에너지 밴드 갭이 감소하여 재결합시 발광되는 파장을 조절할 수 있어 많은 이용도가 있지만 몰 비의 상승으로 In_XGa_1-XN층을 형성하는 것이 매우 어렵다. 최적화된 인듐의 몰 비가 0.1이면 성장온도는 850℃이고, 성장압력은 300Torr이며, 유량조건은 TMIn = 150sccm, TMGa = 1.5sccm, NH₃= 2000sccm, H₂= 4000sccm 이다. 성장두께는 700Å이다. 결정의 X-선 회절실험에 의한 특성조사는 도 9의 더블크리스탈 록킹커브에 표시된 것처럼 인듐의 몰비가 0.1인 양호한 In_XGa_1-XN층을 성장시킬 수 있다.

In_0.1Ga_0.9N층의 발광센터를 형성하기 위해 실리콘과 아연 원자를 동시에 도핑하였다. 아연은 디에틸징크(DeZn) 유기금속원을 이용하여 도핑한다. 먼저, 디에틸징크의 유량을 2sccm으로 최적화하여 에너지 밴드갭 내의 억셉터(acceptor)에 의한 발광세기를 극대화시킨 다음, SiH₄유량을 변화시켜 도 10의 전기적 특성과 도 11의 발광특성(PL)으로 부터 최적화한다. SiH₄유량이 증가함에 따라 전자 운반자농도는 증가하지만 전자이동도가 감소하는 특징을 보인다. 또한, 도 11(a)에서 처럼 아연량과 실리콘 불순물 준위가 (DeZn = 2sccm, SiH₄= 0.5sccm)으로 최적화될 때, 강한 발광세기를 보이며, 또 11(b)에서 처럼 전혀 도핑하지 않은 경우나 도 11(c)에서 처럼 상대적으로 SiH₄가 많은 경우(DeZn = 2sccm, SiH₄= 0.8sccm)에도 발광세기가 약해짐을 알 수 있다. He-Cd 레이저로 광여기시킨 상태에서는 도 12에서 처럼 파장 470㎚의 발광현상을 보인다.

p형 Al_XGa_1-XN층을 형성하기 위해 마그네슘(Mg)의 불순물 원으로서 바이스싸이크로 펜타디에닐마그네슘(bis-cyclopentadienylmagnesium : Cp₂Mg) 유기금속원을 이용한다. 전기적 친화력이 비교적 높은 마그네슘원자는 암모니아와 표면화학반응 동안에 수소와 반응하여 Mg-H 반응종을 쉽게 형성하여 p형으로 활성화되기 위해서는 높은 활성화에너지가 수반되어야 한다. 수소를 탈착시켜 p형으로 활성화시키기 위한 방법으로는 전기적, 광학적, 또는 열적방법이 가능하여 전자선을 주입하거나 자외선을 조사하거나 또는 열처리하는 방법 등이 있다. 마그네슘의 도핑량이 많아짐에 따라 갈륨원자의 자리에 비교적 크기가 작은 마그네슘원자가 너무 많이 치환되어 결정격자 간의 정전포텐셜을 변형시켜 표면에 응력(stress)을 야기시키고 6각형태의 크랙을 형성된다. p형 Al_XGa_1-XN층의 두께는 n형 Al_XGa_1-XN층과 동일하게 하며 대략 0.15㎛이었다.

p형 GaN층도 Cp₂Mg 유기금속원을 이용하여 마그네슘 도핑하였다. DH구조의 청색 질화갈륨계 적층을 마무리한 다음, 시료를 꺼내어 할로겐 램프로 가열하는 급속열처리(rapid thermal annealing process)를 질소분위기에서 p형 Al_XGa_1-XN층과 p형 GaN층을 동시에 약 850℃정도의 온도에서 대략 10분간 풀임(annealing) 열처리하여 활성화시켰다. p형 GaN층의 홀의 운반자농도와 이동도가 약 10¹⁷㎝^-3과 10㎝²/V·sec이었으며, 층의 두께는 대략 0.5㎛이었다.

n형과 p형 GaN층 위에 금속전극패드를 붙이기 위한 오믹접촉(ohmic contact)은 운반자의 이동메카니즘으로 부터 이해할 수 있다. 일반적으로 낮은저항의 반도체와 금속계면간의 오믹접촉을 형성시키기 위해서는 포텐셜 장벽을 터널링(tunneling)하기 위해 높은 일함수를 갖는 금속을 채택하게 된다. 특히, GaN층의 3.4eV 정도의 넓은 밴드 갭과 전자친화도로 인해 매우 높은 일함수가 요구되지만, 일함수에 한계가 있기 때문에 반도체/금속계면 상의 운반자 농도를 증가시킴으로써 경계면의 공핍층(depletion)의 폭을 줄여 운반자의 터널링을 향상시킬 수 있다.

n면의 오믹상태를 형성하기 위해 도 7에서와 같이 n형 불순물인 2%의 게르마늄(Ge)이 포함된 금(Au)층(71)을 800Å 정도 두께로 증착하고 게르마늄의 오믹접촉을 돕도록 게터링(gettering) 역할을 하는 순수 니켈(Ni)금속 박막층(72)을 대략 500Å 정도 두께로 적층하고, 다시 금 박막(73)을 대략 4000Å 정도 두께로 차례로 적층 형성한 다음, 500℃ 정도의 온도에서 열처리하여 오믹접촉을 형성시킨다. p면은 도 8에서 보는 것처럼, 먼저 금 박막층(83)을 대략 200Å정도의 두께로 열적증착하여 p형 불순물인 12% 베릴륨(Be)이 포함된 금 박막층(84)을 700Å 정도 두께를 다시 적층 형성하고, 그 위에 금 박막층(85)을 대략 1.2㎛정도의 두께로 순차 증착하여 질소분위기하의 500℃ 정도의 온도에서 열처리한다. 열처리온도에 따른 오믹특성을 도 13에 도시하였다. 상기한 도 13의 오믹특성도를 보면, 비교적 낮은 온도에서 쇼트키(schottky)효과가 나타나지만 대략 500℃의 온도에서는 양호한 오믹상태를 보이고 있음을 알 수 있다.

도 14는 더블헤테로 구조의 청색 발광다이오드의 전류-전압특성에 관한 표시도로 20mA의 전류에서 6볼트(V) 정도 순방향 바이어스가 인가된다. 도 15는 8볼트(V), 20mA의 바이어스 상태에서 크기가 0.3mm×0.3mm인 발광다이오드 칩에서 와이어본딩 (wire bonding)후, 0.5 칸델라(cd)의 휘도를 주는 일렉트로 루미네슨스의 발광특성을 보여주고 있는 사진이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화갈륨 반도체기판 위에 질화갈륨계 청색 발광다이오드 제조방법에 의하면 기판을 동종의 GaN 반도체 벌크(bulk)를 이용함에 따라 기판과 다층 박막 성장층과의 격자상수의 차이가 없고 열팽창계수 또한 차이가 생기지 않아 박막층 내의 도인형 전위형태의 격자결함이 적으며, 결함에 의한 전자상태의 왜곡을 방지할 수 있으므로 결정특성과 전기적 및 광학적 제특성을 향상시키는 효과가 있으므로 소자의 제작시 신뢰성의 향상을 가져온다.

또한, n형 금속전극을 p형 전극처럼 위면에서 수평하게 형성하기 위해 n-GaN 면까지 건식식각하는 재래의 사파이어 기판을 사용하는 경우와는 다르게 양단의 n형과 p형의 GaN면의 상부, 하부 전극면을 각각 형성하는 본 발명의 방법에 의해 양산공정을 간소화할 수 있다. 즉, 건식식각을 위한 실리콘 산화막이나 실리콘 나이트라이드막을 쉐도우마스크의 증착과 마스크의 식각공정, 전극형성시의 마스크의 복잡한 조합 등을 대폭 줄일 수 있고, 기존의 양산기술에 그대로 적용할 수 있는 잇점이 있다. 전극을 상하 양면에 형성함으로써 작업공정이 단순화되어 효율적인 양산제조공정 뿐만 아니라 소자의 발광면적이 축소되지 않아 상대적으로 고품질의 소자를 지향할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (10)

1. 실리콘기판 위에 수소화합물 기상증착성장법 통해 갈륨 나이트라이드 벌크층을 형성시켜 이루어진 질화갈륨 반도체 기판상에 유기금속화합물 기상증착성장법을통해 격자부정합이나 열팽창에 의한 응력변형이 없는 다층의 질화갈륨계 박막을 적층형성하고, 상기 질화갈륨 반도체기판 하부와 상기 다층의 질화갈륨계 박막층 상단에 n형 및 p형의 금속전극을 각각 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 n형 질화갈륨 반도체기판 상에 형성되는 상기 다층의 질화갈륨계 박막은 n형 GaN 완충층, n형 Al_XGa_1-XN층, In_XGa_1-XN층, p형 Al_XGa_1-XN층 및 p형 GaN층이 순차로 적층형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 반도체기판은 갈륨 인고트에 미소량의 실리콘 인고트를 첨가하여 수소화합물 기상성장법을 통해 갈륨나이트라이드 기판에 실리콘이 도핑된 n형 기판을 형성한 다음, 표면조도를 기계적으로 연마하여 다이아몬드 입도 10㎛, 6㎛, 1㎛ 및1/10로 광택처리하고 KOH용액속에서 질화갈륨 기판표면을 습식식각처리하는 과정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 질화갈륨 반도체기판위에 형성하는 상기 n형 GaN 완충층은 500∼600℃의 저온에서 200∼800Å 정도의 두께로 상기 고주파 MOCVD반응기에서 형성하는 것을 특징으로 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 n형 GaN 완충층은 암모니아가스 분위기로 온도를 상승시켜 1,000℃-1,100℃에서 2-3㎛ 두께로 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 형성시키고, 상기 n형 Al_XGa_1-XN층은 800℃-900℃온도에서 상기 n형 GaN층위에 0.1-0.2㎛정도의 두께로 형성하며 n형 불순물 도핑은 SiH₄가스를 각각 이용하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
6. 제2항에 있어서, 상기Al_XGa_1-XN 층은 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 암모니아가스 분위기의 750℃-850℃ 온도에서 상기 n형의 Al_XGa_1-XN 층 위에 600Å-800Å의 두께로 형성하고, 발광센터를 형성하기위해 실리콘과 아연원자를 동시에 도핑하여 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
7. 제2항에 있어서, 상기Al_XGa_1-XN 층은 상기 고주파 MOCVD 반응기에서 암모니아가스 분위기의 750℃-850℃ 온도에서 상기 n형의 Al_XGa_1-XN 층 위에 600Å-800Å의 두께로 형성하고, 발광센터를 형성하기위해 양자구조를 도입하여 인듐 몰비 x를 주기적으로 바꾸는 초격자를 이용하여 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 p형 Al_XGa_1-XN 층은 암모니아가스 분위기의 800℃∼900℃ 온도에서 상기 Al_XGa_1-XN층 위에 0.1∼0.2㎛ 정도의 두께로 적층 형성시키고, 다시 p형 GaN층을 1,000℃-1,100℃에서 2-3㎛ 두께로 상기 p형 Al_XGa_1-XN 층 위에 적층형성시키며 각각의 p형 불순물 도핑은 유기 금속원 Cp2Mg를 이용하여 상기 p형 Al_XGa_1-XN층 및 GaN층에 마그네슘(Mg)원자를 적층 형성하는 동시에 주입시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 마그네슘(Mg)이 도핑된 상기 p형 In_XGa_1-XN층및 p형 GaN층은 할로겐램프를 장착한 급속 열처리장치에서 동시에 800℃-900℃ 정도의 온도에서 5-15분 정도 열처리하여 마그네슘 이온을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 질화갈륨계 청색 발광다이오드의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 n형 금속전극은 n-GaN기판의 하부에 n형 불순물인 게르마늄이 첨가된 금 박막층, 니켈층 및 금 박막층을 소정의 두께로 순차적으로 적층형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체기판을 이용한 청색발광다이오드 제조방법.